Jump to content

Гидролиз

(Перенаправлено из Щелочной гидролиз )
Общая реакция гидролиза. (Знак двустороннего выхода указывает на химическое равновесие , при котором гидролиз и конденсация обратимы.)

Гидролиз ( / h ˈ d r ɒ l ɪ s ɪ s / ; от древнегреческого гидро- «вода» и лиз «разъединять») — это любая химическая реакция, в которой молекула воды разрывает одну или несколько химических связей. Этот термин широко используется для реакций замещения , элиминирования и сольватации , в которых нуклеофилом является вода . [1]

Биологический гидролиз — это расщепление биомолекул , при котором молекула воды расходуется для разделения более крупной молекулы на составные части. Когда углевод расщепляется на составляющие его молекулы сахара путем гидролиза (например, сахароза расщепляется на глюкозу и фруктозу ), это называется осахариванием . [2]

Реакции гидролиза могут быть обратными реакциям конденсации , при которых две молекулы соединяются в более крупную и выбрасывают молекулу воды. Таким образом, гидролиз добавляет воду для расщепления, тогда как конденсация образуется за счет удаления воды. [3]

Обычно гидролиз – это химический процесс, при котором к веществу присоединяется молекула воды. Иногда это добавление приводит к тому, что и вещество, и молекула воды разделяются на две части. В таких реакциях один фрагмент целевой молекулы (или родительской молекулы) приобретает ион водорода . Он разрывает химическую связь в соединении.

Обычный вид гидролиза происходит, когда соль или слабой кислоты слабого основания (или того и другого) растворяется в воде. Вода самопроизвольно ионизируется на гидроксид-анионы и катионы гидроксония . Соль также диссоциирует на составляющие ее анионы и катионы. Например, ацетат натрия диссоциирует в воде на натрия и ацетата ионы . Ионы натрия очень мало реагируют с ионами гидроксида, тогда как ионы ацетата соединяются с ионами гидроксония с образованием уксусной кислоты . В этом случае конечным результатом является относительный избыток гидроксид-ионов, дающий основной раствор .

Сильные кислоты также подвергаются гидролизу. Например, растворяя серную кислоту ( H 2 SO 4 ) в воде сопровождается гидролизом с образованием гидроксония и бисульфата серной кислоты , сопряженного основания . Более техническое обсуждение того, что происходит во время такого гидролиза, см. в кислотно-основной теории Брёнстеда-Лоури .

Эфиры и амиды

[ редактировать ]

Очень распространены кислотно-основные гидролизы; Одним из примеров является гидролиз амидов или сложных эфиров . Их гидролиз происходит, когда нуклеофил (агент, ищущий ядро, например, вода или гидроксильный ион) атакует углерод карбонильной группы сложного эфира или амида . В водном основании гидроксильные ионы являются лучшими нуклеофилами, чем полярные молекулы, такие как вода. В кислотах карбонильная группа становится протонированной, и это приводит к гораздо более легкой нуклеофильной атаке. Продуктами обоих гидролизов являются соединения с карбоксильными группами.

Возможно, самым старым коммерчески практикуемым примером гидролиза эфиров является омыление (образование мыла). Это гидролиз триглицерида ( жира) водным основанием, таким как гидроксид натрия (NaOH). В ходе процесса глицерин образуется , а жирные кислоты вступают в реакцию с основанием, превращая их в соли. Эти соли называются мылом и обычно используются в домашних условиях.

Кроме того, в живых системах большинство биохимических реакций (в том числе гидролиз АТФ) происходит при катализе ферментов . Каталитическое действие ферментов обеспечивает гидролиз белков , жиров, масел и углеводов . В качестве примера можно рассмотреть протеазы (ферменты, которые помогают пищеварению , вызывая гидролиз пептидных связей в белках ). Они катализируют гидролиз внутренних пептидных связей в пептидных цепях, в отличие от экзопептидаз (другого класса ферментов, катализирующих гидролиз концевых пептидных связей, высвобождая по одной свободной аминокислоте за раз).

Однако протеазы не катализируют гидролиз всех видов белков. Их действие стереоселективно: нацелены только на белки с определенной третичной структурой, поскольку для размещения амидной группы в правильном положении для катализа необходима какая-то ориентирующая сила. Необходимые контакты между ферментом и его субстратами (белками) создаются за счет того, что фермент складывается таким образом, что образует щель, в которую помещается субстрат; щель также содержит каталитические группы. Следовательно, белки, не помещающиеся в щель, не подвергаются гидролизу. Эта специфичность сохраняет целостность других белков, таких как гормоны , и поэтому биологическая система продолжает нормально функционировать.

Механизм кислотно-катализируемого гидролиза амида.

При гидролизе амид превращается в карбоновую кислоту и амин или аммиак (которые в присутствии кислоты немедленно превращаются в соли аммония). Одна из двух кислородных групп карбоновой кислоты происходит от молекулы воды, а амин (или аммиак) получает ион водорода. Гидролиз пептидов дает аминокислоты .

Многие полиамидные полимеры, такие как нейлон 6,6, гидролизуются в присутствии сильных кислот. Процесс приводит к деполимеризации . По этой причине нейлоновые изделия разрушаются при воздействии небольшого количества кислой воды. Полиэфиры также подвержены аналогичным реакциям разложения полимеров . Эта проблема известна как растрескивание под воздействием окружающей среды .

Гидролиз связан с энергии обменом и хранением . Всем живым клеткам требуется постоянный приток энергии для двух основных целей: биосинтеза микро- и макромолекул и активного транспорта ионов и молекул через клеточные мембраны. Энергия, получаемая в результате окисления питательных веществ, не используется напрямую, а посредством сложной и длинной последовательности реакций направляется в специальную молекулу, запасающую энергию, аденозинтрифосфат (АТФ). Молекула АТФ содержит пирофосфатные связи (связи, образующиеся при объединении двух фосфатных единиц), которые при необходимости высвобождают энергию. АТФ может подвергаться гидролизу двумя способами: во-первых, удалением концевого фосфата с образованием аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата по реакции:

Во-вторых, удаление терминального дифосфата с образованием аденозинмонофосфата (АМФ) и пирофосфата . Последний обычно подвергается дальнейшему расщеплению на два составляющих его фосфата. Это приводит к реакциям биосинтеза, которые обычно протекают в цепочках, которые могут двигаться в направлении синтеза, когда фосфатные связи подвергаются гидролизу.

Полисахариды

[ редактировать ]
Сахароза. Гликозидная связь представлена ​​центральным атомом кислорода, который удерживает вместе две моносахаридные единицы.

Моносахариды могут быть связаны между собой гликозидными связями , которые расщепляются путем гидролиза. Два, три, несколько или множество моносахаридов, соединенных таким образом, образуют дисахариды , трисахариды , олигосахариды или полисахариды соответственно. Ферменты, гидролизующие гликозидные связи, называются « гликозидгидролазами » или «гликозидазами».

Самый известный дисахарид – сахароза (столовый сахар). Гидролиз сахарозы дает глюкозу и фруктозу . Инвертаза представляет собой сахаразу, используемую в промышленности для гидролиза сахарозы до так называемого инвертного сахара . Лактаза необходима для пищеварительного гидролиза лактозы в молоке; многие взрослые люди не производят лактазу и не могут переваривать лактозу, содержащуюся в молоке.

Гидролиз полисахаридов до растворимых сахаров можно назвать осахариванием . [2] Солод, изготовленный из ячменя, используется в качестве источника β-амилазы для расщепления крахмала на дисахарид мальтозу , который может использоваться дрожжами для производства пива . Другие ферменты амилазы могут превращать крахмал в глюкозу или олигосахариды. Целлюлоза сначала гидролизуется до целлобиозы под действием целлюлазы , а затем целлобиоза дополнительно гидролизуется до глюкозы под действием бета-глюкозидазы . Жвачные животные, такие как коровы, способны гидролизовать целлюлозу до целлобиозы, а затем и до глюкозы благодаря симбиотическим бактериям, продуцирующим целлюлазы.

Гидролиз ДНК происходит со значительной скоростью in vivo. [4] Например, подсчитано, что в каждой клетке человека от 2000 до 10 000 пуриновых оснований ДНК обновляются каждый день из-за гидролитического депуринирования, и этому в значительной степени противодействуют специфические процессы быстрого восстановления ДНК . [4] Гидролитические повреждения ДНК, которые не удается точно восстановить, могут способствовать канцерогенезу и старению . [4]

Аква-ионы металлов

[ редактировать ]

Ионы металлов являются кислотами Льюиса и в водном растворе образуют аквакомплексы металлов общей формулы М(Н 2 О) н м + . [5] [6] Аква-ионы в большей или меньшей степени подвергаются гидролизу. Первая стадия гидролиза в общих чертах определяется как

ведут Таким образом , аквакатионы себя как кислоты с точки зрения кислотно-основной теории Брёнстеда-Лоури . Этот эффект легко объяснить, если принять во внимание индуктивный эффект положительно заряженного иона металла, ослабляющий Связь O-H присоединенной молекулы воды, что делает высвобождение протона относительно легким.

Константа диссоциации pK a для этой реакции более или менее линейно связана с отношением заряда к размеру иона металла. [7] Ионы с низким зарядом, такие как Уже + являются очень слабыми кислотами с почти незаметным гидролизом. Большие двухвалентные ионы, такие как Что 2+ , Зн 2+ , Сн 2+ и Pb 2+ имеют pK a 6 или более и обычно относятся не к кислотам, а к небольшим двухвалентным ионам, таким как Быть 2+ подвергаются интенсивному гидролизу. Трехвалентные ионы, такие как Ал 3+ и Фе 3+ являются слабыми кислотами, рК а которых сравним с рК уксусной кислоты . Растворы солей, например BeCl 2 или Al(NO 3 ) 3 в воде заметно кислые ; гидролиз можно подавить добавлением кислоты, такой как азотная кислота , что сделает раствор более кислым.

Гидролиз может продолжаться после первой стадии, часто с образованием полиядерных частиц в процессе олатирования . [7] Некоторые «экзотические» виды, такие как Sn 3 (ОН) 2+ 4 [8] хорошо охарактеризованы. Гидролиз имеет тенденцию продолжаться по мере повышения pH , что во многих случаях приводит к осаждению гидроксида, такого как Al(OH) 3 или АlО(ОН) . Эти вещества, основные составляющие боксита , известны как латериты и образуются в результате выщелачивания из горных пород большинства ионов, кроме алюминия и железа, и последующего гидролиза оставшихся алюминия и железа.

Стратегии механизмов

[ редактировать ]

Ацетали , имины и енамины можно снова превратить в кетоны путем обработки избытком воды в условиях кислотного катализа: RO·OR-H 3 O-O ; NR·H 3 O-O ; RNR-H 3 O-O . [9]

Кислотный гидролиз

[ редактировать ]

Кислотный катализ может быть применен к гидролизу. [10] Например, при превращении целлюлозы или крахмала в глюкозу . [11] [12] В случае гидролиза сложных эфиров и амидов его можно определить как катализируемую кислотой реакцию нуклеофильного ацильного замещения . [13] Карбоновые кислоты можно получить кислотным гидролизом сложных эфиров. [14]

Кислоты катализируют гидролиз нитрилов до амидов. Кислотный гидролиз обычно не относится к катализируемому кислотой присоединению элементов воды к двойным или тройным связям путем электрофильного присоединения , которое может происходить в результате реакции гидратации . Кислотный гидролиз используется для получения моносахаридов с помощью минеральных кислот, муравьиная кислота и трифторуксусная кислота . но используются [15]

Кислотный гидролиз можно использовать при предварительной обработке целлюлозного материала, чтобы разрезать межцепные связи в гемицеллюлозе и целлюлозе. [16]

Щелочной гидролиз

[ редактировать ]

Щелочной гидролиз обычно относится к типам реакций нуклеофильного замещения , в которых атакующим нуклеофилом является гидроксид-ион . Самый известный тип — омыление : расщепление сложных эфиров на карбоксилатные соли и спирты . При гидролизе сложного эфира и гидролизе амида нуклеофил гидроксид-иона атакует карбонильный углерод в реакции нуклеофильного ацильного замещения . Этот механизм подтверждается экспериментами по мечению изотопов . Например, когда этилпропионат с этоксигруппой, меченной кислородом-18 , обрабатывается гидроксидом натрия (NaOH), кислород-18 полностью отсутствует в продукте пропионата натрия и обнаруживается исключительно в образовавшемся этаноле . [17]

Взаимодействие меченого изотопами этилпропионата с гидроксидом натрия доказывает предполагаемый механизм нуклеофильного ацильного замещения.

Реакцию часто используют для растворения твердых органических веществ. Химические очистители канализации используют этот метод для растворения волос и жира в трубах. Реакция также используется для утилизации останков людей и других животных в качестве альтернативы традиционному захоронению или кремации.

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) « Гидролиз ». doi : 10.1351/goldbook.H02902 ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Интернет-исправленная версия: (2006–) « Сольволизис ». дои : 10.1351/goldbook.S05762
  2. ^ Перейти обратно: а б «Определение осахаривания» . Мерриам-Вебстер . Архивировано из оригинала 7 января 2021 года . Проверено 8 сентября 2020 г.
  3. ^ Стейн, Ричард. «Конденсация и гидролиз» . www.biotopics.co.uk . Архивировано из оригинала 27 ноября 2020 г. Проверено 13 ноября 2020 г.
  4. ^ Перейти обратно: а б с Линдаль Т. Нестабильность и распад первичной структуры ДНК. Природа. 1993, 22 апреля; 362 (6422): 709-15. дои: 10.1038/362709a0. ПМИД 8469282
  5. ^ Берджесс, Джон (1978). Ионы металлов в растворе . Чичестер: Эллис Хорвуд. ISBN  978-0853120278 .
  6. ^ Риченс, Д.Т. (1997). Химия аква-ионов: синтез, структура и реакционная способность: экскурс в периодическую таблицу элементов . Уайли. ISBN  0-471-97058-1 .
  7. ^ Перейти обратно: а б Бэйс, Чарльз Ф.; Месмер, Роберт Э. (1976). Гидролиз катионов . Нью-Йорк: Уайли. ISBN  9780471039853 .
  8. ^ Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . п. 384. ИСБН  978-0-08-037941-8 .
  9. ^ Кляйн, Дэвид (2012). Органическая химия . Уайли. ISBN  978-0-471-75614-9 .
  10. ^ Спейт, Джеймс Г. (2 ноября 2016 г.). Гидролиз . стр. 143–144. ISBN  9780128006689 . в Спейт, Джеймс Г. (2017). «Промышленная органическая химия». Экологическая органическая химия для инженеров . стр. 87–151. дои : 10.1016/B978-0-12-804492-6.00003-4 . ISBN  978-0-12-804492-6 .
  11. ^ Гольдштейн, Ирвинг С. (1983). «Гидролиз целлюлозы кислотами». Использование биомассы . стр. 559–566. дои : 10.1007/978-1-4757-0833-2_30 . ISBN  978-1-4757-0835-6 .
  12. ^ US 5726046 , Фарон, Уильям А. и Казенс, Джон Э., «Способ получения сахаров с использованием сильнокислотного гидролиза», опубликован 10 марта 1998 г., передан Arkenol Inc.  
  13. ^ Вон, HL; Роббинс, доктор медицины (апрель 1975 г.). «Быстрая процедура гидролиза амидов до кислот». Журнал органической химии . 40 (8): 1187–1189. дои : 10.1021/jo00896a050 .
  14. ^ «5.4: Реакции гидролиза» . Химия LibreTexts . 04.08.2021 . Проверено 7 октября 2023 г.
  15. ^ Чен, Хунчжэн (2015). Технология биопереработки лигноцеллюлозы . Издательство Вудхед. ISBN  978-0-08-100135-6 .
  16. ^ Панди; Моча; Рике; Дюссап; Гнансуну (2011). Биотопливо: альтернативное сырье и процессы переработки . Академическая пресса. ISBN  978-0-12-385099-7 .
  17. ^ Макмерри, Джон (1996). Органическая химия (4-е изд.). Пасифик Гроув, Калифорния: Издательская компания Brooks/Cole. стр. 820–821 . ISBN  0534238327 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: bdec97abe996cd089d5e6aabc61676e8__1718751600
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/bd/e8/bdec97abe996cd089d5e6aabc61676e8.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Hydrolysis - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)